InnoCaT3

Problemstellung
Das Potenzial des Werkzeugbaus, einen signifikanten Beitrag zur effektiven Nutzung der Ressourcen zu leisten, wird derzeit sowohl in der Werkzeugfertigung selbst als auch in der Produktion von Karosseriebauteilen nicht vollständig ausgeschöpft. Folgende Problemfelder wurden beim Projektstart erkannt.
- Es fehlen Möglichkeiten zur ganzheitlichen Planung auf der Basis eines Kennzahlensystems zur Ressourcenschonung in Fertigung und Einsatz der Werkzeuge.
- Strukturbaugruppen im Werkzeugbau werden in erster Linie hinsichtlich ihrer Steifigkeit und nicht hinsichtlich der Werkzeugmasse optimiert.
- Werkzeugfertigung ist nach wie vor durch umfangreiche mechanische Handarbeit im Try-Out gekennzeichnet, die eine große Streuung der Ergebnisse und eine Verzögerung des Produktionsanlaufs hervorruft. In dieser Phase werden ressourcenintensive Produktionsmittel nicht produktiv genutzt.
- In der produktiven Zeit der Werkzeugfertigung erreichen die eingesetzten Anlagen aufgrund unbeherrschter Prozesseinflüsse keine optimalen Ausnutzungsgrade und vergeuden somit Ressourcen.
- Eine prozessadaptive Auslegung der Werkzeuggeometrie zur Verschleißreduktion ist derzeit nur begrenzt möglich. Die lokalen Belastungen von Werkzeugen mit komplexen Geometrien können nur unzureichend berechnet werden.
- Werkzeuge können heute nur in eingeschränktem Maße belastungsgerecht funktionalisiert werden, d. h. eine gezielte Einstellung der Verschleißbeständigkeit spezifischer Oberflächenbereiche findet nicht statt. Dadurch werden partiell kurze Lebensdauern in Kauf genommen, während in anderen Bereichen Ressourcen durch überdimensionierten Materialeinsatz verschwendet werden.

Projektziele
Das Hauptziel des Verbundvorhabens InnoCaT3 "Ressourceneffizienter Werkzeugbau" war es, die Ressourcentreiber der produktionstechnischen Prozesskette der Fertigung von Fahrzeugkarosserien zu identifizieren und Möglichkeiten zu deren Beeinflussung zu entwickeln. Hierbei standen vor allem die Komponenten Energie und Material im Fokus der Lösungsfindung. Es wurde Methodenwissen erarbeitet und es wurden neue Technologien, Verfahrensabläufe, Komponenten und Werkzeuge qualifiziert und getestet. Der Verbundvorhabenstruktur entsprechend wurden folgende Teilziele formuliert:
- Massereduzierung an Werkzeugen um bis zu 20% durch Vermeidung von Überdimensionierungen und Leichtbaukonzepten,
- Reduzierung der Bearbeitungszeit beim Fräsen für die "Operation Schlichten" um 30%,
- Reduzierung des Aufwands für die Bank- und Nacharbeit sowie des Try-Out durch Verbesserung der Genauigkeiten um mindestens 10%,
- Reduzierung der Einarbeitungszeit der Werkzeuge um mindestens 30%,
- Erhöhung der Standzeiten von Umformwerkzeugen um bis zu 100%

Vorgehensweise
Für eine systematische Bearbeitung und eine optimale Vernetzung der Partner wurden für das Verbundvorhaben InnoCaT3 "Ressourceneffizienter Werkzeugbau" drei Handlungsstränge definiert:
- Energiebilanz des Werkzeuglebenszyklus,
- Werkzeugkonzeption für ressourcenoptimierten Einsatz und
- Ressourceneffiziente Herstellung und Reparatur im Werkzeugbau.
Im Handlungsstrang "Energiebilanz Werkzeuglebenszyklus" wurden Methoden zur Bewertung der energetischen Aufwände entwickelt, mit dem Ziel eine Bilanzierung des Ressourcenbedarfs über den gesamten Lebenszyklus der Umformwerkzeuge zu erhalten.
Schwerpunkt im Handlungsstrang "Werkzeugkonzeption für ressourcenoptimierten Einsatz" war in erster Linie die Steigerung der Material- und Energieeffizienz bei
der Herstellung und dem Einsatz von
Umformwerkzeugen durch die Verbesserung von Simulations- und Fertigungsmethoden sowie der dadurch erreichten Reduzierung des Gewichtes.
Kernthema des Handlungsstrangs " Ressourceneffiziente Herstellung und Reparatur im Werkzeugbau" war die gezielte energie- und ressourcenseitige Optimierung der Fertigungsprozessketten zur Herstellung von Umformwerkzeugen für den Karosseriebau.
Innerhalb der Handlungsstränge wurden Teilprojekte definiert. Zudem gab es definierte Schnittstellen zur Ebene der der im Verbundvorhaben InnoCaT1 entwickelten Fabrikplanung.
Innerhalb des Verbundvorhabens entwickelte Konzepte und Methoden wurden in experimentellen Analysen verifiziert und im Anschluss einer Optimierung unterzogen.

Ergebnisse und Anwendungspotenzial
Im Ergebnis des Verbundvorhabens entstanden innovative und ressourcenschonende technische
Lösungsansätze und Methoden für den automobilen Karosseriebau in den folgenden Teilbereichen
- Strukturoptimierung von Werkzeugen,
- Werkzeugtemperierung,
- Automatisierte Korrektur,
- Genauigkeit in der Werkzeugfertigung,
- Verschleißreduktion und
- Energieeffizienz im Großwerkzeugbau.
Zur Erfassung der hinsichtlich einer ressourceneffizienteren Fertigung in den jeweiligen Teilpojekten erzielten Ergebnisse wurde innerhalb des Verbundvorhaben ein Referenzwerkzeugbau implementiert. Dieser ist Teil des Referenzautomobilwerks im Rahmen der Gesamtallianz InnoCaT. Die generierten Ergebnisse führen jedoch nicht nur direkt im Werkzeugbau zu einer Ressourceneinsparung sondern auch in der Bilanzhülle des Presswerks.
Unter Berücksichtigung aller Teilergebnisse im Verbundprojekt ergibt sich, bezogen auf das definierte Referenzwerk, im Werkzeugbau eine Energiereduzierung um 8.443 MWh. Zudem konnte mit den entwickelten Technologien im Presswerk eine Reduzierung von 1.026 MWh erzielt werden. In Bezug auf das Referenzautomobilwerk trägt das Verbundprojekt somit zu einer Einsparung von 7,86 kWh pro hergestellter Karosserie bei.
Durch das Know-how und die Marktposition der beteiligten Projektpartner wird die weitere Qualifizierung der entwickelten Konzepte und Methoden zur industriellen Anwendung fortgeführt.